基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀的研制與應(yīng)用
設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)的地?zé)釗Q熱器需要知道地下巖土的熱物性參數(shù)。如果熱物性參數(shù)不準(zhǔn)確,則設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可能達(dá)不到負(fù)荷需要;也可能規(guī)模過大,從而加大初期投資。
確定地下巖土熱物性參數(shù)的傳統(tǒng)方法是首先根據(jù)鉆孔取出的樣本確定鉆孔周圍的地質(zhì)構(gòu)成,再通過查有關(guān)手冊確定導(dǎo)熱系數(shù)。然而地下地質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜,即使同一種巖石成分,其熱物性參數(shù)取值范圍也比較大。況且不同地層地質(zhì)條件下的導(dǎo)熱系數(shù)可相差近十倍,導(dǎo)致計(jì)算得到的埋管長度也相差數(shù)倍,從而使得地源熱泵系統(tǒng)的造價(jià)會產(chǎn)生相當(dāng)大的偏差。
另外,不同的封并材料、埋管方式對換熱都有影響,因此只有在現(xiàn)場直接測量才能正確得到地下巖土的熱物性參數(shù)。但是由于在以往的工程實(shí)踐中很少涉及這樣的問題,既缺乏這方面的數(shù)據(jù)積累,也缺乏現(xiàn)成的測試方法。
針對此間題,進(jìn)行了深入的研究,開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的便攜式巖土熱物性測試儀,并應(yīng)用到實(shí)際工程中。
1測試儀的原理及構(gòu)成
地下巖土的導(dǎo)熱系數(shù)等無法直接測量,只能通過測量溫度、熱流等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行反推。在已鉆好的鉆孔中埋設(shè)導(dǎo)管并按設(shè)計(jì)要求回填,該鉆孔中的導(dǎo)管將來可以作為地?zé)釗Q熱器的一個(gè)支路使用,回路中充滿水,讓水在回路中循環(huán)流動,自某一時(shí)刻起對水連續(xù)加熱相當(dāng)長的時(shí)間(數(shù)天),并測量加熱功率、回路中水的流量和水的溫度及其所對應(yīng)的時(shí)間,最后再根據(jù)已知的數(shù)據(jù)推算出鉆孔周圍巖土的平均熱物性參數(shù)。
本儀器由流量傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、泵、電加熱器;管道和主機(jī)等緩?fù)Y(jié)構(gòu)面匡如圖1所示。
圖1中,由于泵的作用,流體由A口進(jìn)入,流量傳感器采集流量信號,溫度傳感器采集溫度信號(T1)。流體通過泵后,由電加熱器加熱,加熱的流體溫度信號(T2)由傳感器采集,然后流體從B口流出,輸入到埋置于深層巖土中的導(dǎo)管內(nèi),導(dǎo)管內(nèi)加熱的流體與深層巖上進(jìn)行熱交換后,又從A口返回到儀器內(nèi),形成封閉的循環(huán)。將在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)采集到的加熱功率、溫度差、流量值作為測量數(shù)據(jù),再利用參數(shù)估算法求出巖土的平均導(dǎo)熱系數(shù),達(dá)到檢測目的。電流傳感器、電壓傳感器用于對加熱器的加熱功率進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,以保證檢測精度。
1.1主機(jī)硬件
如圖2所示,主機(jī)由CPU AT89C52芯片、A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543、串行通訊芯片MAX232、程序存儲器27C128、數(shù)據(jù)存儲器AT24C64、鍵盤、LCD顯示器、開關(guān)量輸出、打印機(jī)、電源等構(gòu)成。各部分的主要功能敘述如下:
各路變送器傳來的電流信號在進(jìn)行濾波和I/V變換后,由TLC2543進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。TLC2543是具有11個(gè)通道的12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,由軟件控制信號通道的轉(zhuǎn)換。
評論